python装饰器深入学习

Z时代
2024-01-10
分类：综合

什么是装饰器

在我们的软件产品升级时，常常需要给各个函数新增功能，而在我们的软件产品中，相同的函数可能会被调用上百次，这种情况是很常见的，如果我们一个个的修改，那我们的码农岂不要挂掉了(有人就说了，你笨呀，修改函数定义不就行了！同学，你醒醒吧，如果要新加的功能会修改参数，或者返回值呢？)。这个时候，就是我们装饰器大显神通的时候了。装饰器就可以实现，在不改变原函数的调用形式下（即函数的透明化处理），给函数新增功能的作用。如何实现，以及实现原理，下文会详解。

装饰器遵循的原则

装饰器，顾名思义就是起装饰的作用，既然是装饰，那么被装饰的对象是啥样就是啥样，不能有丝毫改变。在这里，我们写装饰器就是必须把握不能修改被修饰函数的源代码这条铁律。如何遵循这条铁律，我们还需还需做一些铺垫，必须先要了解三个概念，如下：

函数名即“变量”

在python中，函数名其实就像是c语言的函数指针，代表的是我们的函数地址，只有解释器获取到这个地址，它才会去执行这块内存的代码。因此，本质上，函数名就和不同变量没什么区别，只不过函数名和普通变量所指代的那块内存的使用方式不同罢了，这些都是底层解释器的机制所决定的，对于程序猿来说，都是透明的，所以，我们可以认为两者是没有区别的。

高阶函数

什么是高阶函数其实很简单，把握两个原则就好：

形式参数有函数名

返回值有函数名

只要满足这两个原则之一，就可以称之为是高阶函数。翻回头来看，这里出现了我们上面说的函数名，仔细体会一下，我们在这里不就是把其当成实参看待的吗？

嵌套函数

什么是嵌套函数其实也非常简单，把握一个原则就好：

在一个函数的函数体中去定义另一个函数

在这里需要强调的是，函数定义时是不会执行函数体的，就和定义变量是不会去读取变量里的内容一样。这一点至关重要，对于我们理解装饰器实现原理非常有帮助。

如何写装饰器

有了上文的铺垫，在现在来详解一下如何写装饰器，就好理解多了。

装饰器本质

　　其实装饰器本质上就是一个函数，它也具有函数名，参数和返回值。但在python中，我们用“@auth”来表示。


@auth # 其等价于：func = auth(func)
def func():
 print("func called")

这个示例就是python中如何修饰func函数的格式，当然我们还没有实现我们的装饰器函数。我们要注意的是注释里写的内容，我们可以看出：

装饰器函数其实是一个高阶函数(参数和返回值都为函数名)。

“auth(func)”是在调用我们的装饰器函数，即装饰器函数的函数体会被执行，一定要记好这一点。

设计思路

装饰器即然是个函数，又有上述介绍的等价关系，那我们就可以这样设计我们的装饰器：

在我们装饰器的函数体内去定义一个新的函数，在这个新定义的函数内去调用被修饰的函数，与此同时，在被修饰的函数的上下文去添加新功能。最后，利用装饰器函数的返回值返回我们新定义函数的函数名。

由此可以知道，“func = auth(func)”中的返回值func表示的就是在装饰器中新定义的函数的函数名。

前面做了大量的铺垫，就是想在这里揭示装饰器的实现机制，其实没什么什么的，很简单：

装饰器机制改变了被修饰函数的函数名表示的地址数据。说白了就是，被修饰前，函数名代表的是A内存块；被修饰后，函数名代表的是B内存块；只不过，在执行B内存块时，会调用A内存块罢了。B内存块中的代码就是我们新加的功能。而这种机制的实现，使用了“高阶函数”和“嵌套函数”的机制。

最终的效果就是，但在调用被修饰过的函数时，其实调用的不是原来的内存块，而是修饰器新申请的内存块。

第一步：设计装饰器函数

装饰器函数定义跟普通函数定义没什么区别，关键是函数体怎么写的问题。这里，为了便于理解，先用无参数的装饰器函数说明。


#装饰器函数定义格式
def deco(func):
 '''函数体...'''
return func

这里说的无参数，指的是没有除了“func”之外的参数

难点是函数体的编写，下面的示例先告诉你为什么要有第二步：


#使用语法糖@来装饰函数，相当于“myfunc = deco(myfunc)”
def deco(func):
 print("before myfunc() called.")
 func()
 print("after myfunc() called.")
 return func
@deco
def myfunc():
 print("myfunc() called.")
myfunc()
myfunc()
#output：
before myfunc() called.
myfunc() called.
after myfunc() called.
myfunc() called.
myfunc() called.

由输出结果可以看出，我们的装饰器并没有生效。别跟我说装饰器只生效了一次，那是大家忽略了“@deco”的等效机制。解释到“@deco”时，会解释成“myfunc = deco(myfunc)”。注意了，前面我提到了，这里其实在调用deco函数的，因此，deco的函数体会被执行。所以output的前三行并不是调用myfunc函数时产生的效果，那有怎能说装饰器生效了一次呢？第二步就是解决装饰器没生效的问题的。

第二步：包装被修饰函数


#基本格式
def deco(func):
 def _deco()
 #新增功能
 #...
 #...
 func() #别修饰函数调用
 return_deco

下面给出个示例：


#使用内嵌包装函数来确保每次新函数都被调用，
#内嵌包装函数的形参和返回值与原函数相同，装饰函数返回内嵌包装函数对象
def deco(func):
 def _deco():
 print("before myfunc() called.")
 func()
 print("after myfunc() called.")
 # 不需要返回func，实际上应返回原函数的返回值
 return _deco
@deco
def myfunc():
 print("myfunc() called.")
 return 'ok'
myfunc()
#output:
before myfunc() called.
myfunc() called.
after myfunc() called.

第三步：被修饰函数参数和返回值透明化处理

当完成了第二步时，其实装饰器已经完成了主要部分，下面就是对被修饰函数的参数和返回值的处理。这样才能真正实现装饰器的铁律。话不多说，直接上代码：


#基本格式
def deco(func):
 def _deco(*args, **kwargs) #参数透明化
 #新增功能
 #...
 #...
 res = func(*args, **kwargs) #别修饰函数调用
 return res #返回值透明化
 return_deco

通过上面的分析知：

参数透明化：当我们在调用被装饰后的函数时，其实调用的时这里的_deco函数。那么，我们就给_deco函数加上可变参数，并把得到的可变参数传递给func函数不就可以了。

返回值透明化：和参数透明化同理，给_deco函数定义返回值，并返回func的返回值就可以了。

透明化处理就是这么简单！至此，我们的装饰器编写完成。给个示例吧：


#对带参数的函数进行装饰，
#内嵌包装函数的形参和返回值与原函数相同，装饰函数返回内嵌包装函数对象
def deco(func):
 def _deco(*agrs, **kwagrs):
 print("before myfunc() called.")
 ret = func(*agrs, **kwagrs)
 print(" after myfunc() called. result: %s" % ret)
 return ret
 return _deco
@deco
def myfunc(a, b):
 print(" myfunc(%s,%s) called." % (a, b))
 return a + b
print("sum=",myfunc(1, 2))
print("sum=",myfunc(3, 4))
#output:
before myfunc() called.
 myfunc(1,2) called.
 after myfunc() called. result: 3
sum= 3
before myfunc() called.
 myfunc(3,4) called.
 after myfunc() called. result: 7
sum= 7

装饰器进阶

带参数装饰器

装饰器即然也是函数，那么我们也可以给其传递参数。我这里说的是：“@auth(auth_type = 'type1')”这中形式哟。先上个代码吧：


#基本格式
def deco(deco_type)
 def _deco(func):
 def __deco(*args, **kwargs) #参数透明化
  #新增功能
  #...
  #...
  print("deco_type:",deco_type) #使用装饰器参数
  res = func(*args, **kwargs) #别修饰函数调用
  return res #返回值透明化
 return __deco
 return_deco

说白了，就是在原来的装饰器的基础上再在最外层套一个deco函数，并用其来接收装饰器参数。由于是在最外层套了一个函数，那么这个函数的形参的作用范围就是函数体内部，所以里面的函数定义中随便用啦，就这么任性。

那怎么理解解释器的解析过程呢？在这里，只要我们明白一点就好，那就是： “@auth(auth_type = 'type1')”等价于“func = auth(auth_type = 'type1')(func)” 。解释器会先翻译“auth(auth_type = 'type1')”，再将其返回值(假设给了_func这个不存在的函数名)当作函数指针，这里的_func函数名代表的是_deco，然后再去执行“func = _func(func)”，而这个func函数名代表的其实就是__deco。

至此，就达到了通过装饰器来传参的目的。给个示例吧：


#示例7: 在示例4的基础上，让装饰器带参数，
#和上一示例相比在外层多了一层包装。
#装饰函数名实际上应更有意义些
def deco(deco_type):
 def _deco(func):
 def __deco(*args, **kwagrs):
  print("before %s called [%s]." % (func.__name__, deco_type))
  func(*args, **kwagrs)
  print(" after %s called [%s]." % (func.__name__, deco_type))
 return __deco
 return _deco
@deco("mymodule")
def myfunc():
 print(" myfunc() called.")
@deco("module2")
def myfunc2():
 print(" myfunc2() called.")
myfunc()
myfunc2()
#output:
before myfunc called [mymodule].
 myfunc() called.
 after myfunc called [mymodule].
before myfunc2 called [module2].
 myfunc2() called.
 after myfunc2 called [module2].

多重装饰器修饰函数

如果说，我上面说的内容都理解了，那么这个东东，就太简单不过了。不就是把我们的是装饰器当中被修饰的函数，对它进行装饰吗？但我在这里还想说的是，我们换个角度看问题。我们的关注点放在原来的被修饰的函数上，就会发现，NB呀，我可以给它添加若干个功能撒。给个示例吧：


def deco(deco_type):
 def _deco(func):
 def __deco(*args, **kwagrs):
  print("before %s called [%s]." % (func.__name__, deco_type))
  func(*args, **kwagrs)
  print(" after %s called [%s]." % (func.__name__, deco_type))
 return __deco
 return _deco
@deco("module1")
@deco("mymodule")
def myfunc():
 print(" myfunc() called.")
@deco("module2")
def myfunc2():
 print(" myfunc2() called.")
myfunc()
#output：
before __deco called [module1].
before myfunc called [mymodule].
 myfunc() called.
 after myfunc called [mymodule].
 after __deco called [module1].